Что такое радуга на самом деле? [Veritasium]

ruticker 05.03.2025 16:01:09

Текст распознан YouScriptor с канала Vert Dider

распознано с видео на ютубе сервисом YouScriptor.com, читайте дальше по ссылке Что такое радуга на самом деле? [Veritasium]

Смотри, так красиво! На днях сын спросил меня, почему радуга — дуга. Я мог бы дать ему простой ответ, но вместо этого снял видео, и в нём вы найдёте демонстрации, которых, возможно, никогда не видели. Вот такая радуга от одной капли и лучшая анимация за всю историю. Потому что я не вру, как бы вам не объясняли радугу. **Двойная радуга** — её чрезмерно упрощают. Например, если радуга — это разложение белого света на цвета каплями, как призмой, почему её не видно, если смотреть в направлении солнца? Или почему над радугой небо темнее, чем под ней? Как с помощью солнечных очков сделать так, чтобы радуга исчезла? А это что вообще такое? Почему вот эта радуга гораздо меньше обычной, и как это явление привело прямиком к Нобелевской премии? О да, нам предстоит глубокое погружение, потому что полное объяснение гораздо интереснее всего, что вы слышали раньше. Чтобы сделать радугу, нужны три вещи: капли дождя, солнце и вы, наблюдатель. Этот опыт кажется очень простым, но я никогда не видел, как его проводят. У меня есть стеклянная сфера, которая будет служить нам каплей дождя. Как мы знаем из другого видео, дождевые капли по форме — это практически шарики. Добавим немного дыма, чтобы было видно луч лазера. Здесь у меня лазер. Луч от него у нас будет вместо солнечного. Солнечные лучи по сути идут параллельно друг другу, потому что солнце очень далеко. Когда свет попадает на сферу, частично он отражается от её поверхности, а частично проходит насквозь. У задней стенки он снова частично отражается, а частично идёт дальше. Когда свет попадает из одной среды в другую, часть его отражается, а часть проходит внутрь. Какие это будут части, зависит от угла падения, поляризации света и свойств этих двух сред. Нам это на руку, потому что с помощью отражений мы можем... Правильно ли выставлен лазер? Кажется, с красным всё нормально. Луч попадает в центр сферы, часть отражается, часть проходит дальше. И на задней стенке что-то отражается, что-то проходит до стены. Лазер у меня горизонтально, но его можно поднимать и опускать. Расстояние центра сферы называют прицельным параметром. Когда я поднимаю лазер от сферы, луч уходит вверх, кивает от изогнутой поверхности, и, честно говоря, это довольно простое и скучное обстоятельство. С отражающим лучом не происходит ничего интересного к радуге, он не имеет никакого отношения, поэтому сегодня вы о нём больше не услышите. Гораздо интереснее для нас, как отражается свет от дальней стенки. Так, следим за этим лучом. Вот он опускается на стол. Когда лазер поднимается, луч направляется вниз, отклоняется. Весь луч внутри сферы — это из-за того, что, попадая внутрь, свет замедляется и отклоняется. Но почему он замедляется в плотной среде вроде стекла? Многие знают, что свет — это электромагнитная волна, но мало кто задумывается, что это значит. Мы знаем, как вокруг заряженного воздушного шарика возникает электрическое поле. Из-за этого у нас встают волосы, а сам шарик липнет к стене. И все мы видели, как вокруг магнита железные опилки. Так вот, мы получим свет, если возьмём электрическое поле от заряженного объекта, магнитное поле от магнита, а потом скомбинируем их вместе и тянем сквозь пространство. Как-то так. Если точнее, электромагнитные волны порождаются ускорением электрических зарядов, например, при их колебании вверх-вниз. Меняющиеся электрические и магнитные поля, которые при этом возникают, складываются и распространяются в виде света. Лучше всего преломление света... Я попросил разрешение вкратце пересказать его ролик, и он благородно согласился. Итак, когда электромагнитные волны встречают заряды в среде, например, в первом слое нашей сферы, свет раскачивает эти заряды. Представьте себе, что заряженные частицы — это маленькие шарики на пружинке. Изменяющееся электромагнитное поле заставляет их колебаться с частотой падающего света. Заряды, которые теперь создают собственные электромагнитные волны, общие электромагнитные поля складываются из изначальной волны, то есть света, и вот этой новой. Результат получается почти такой же, как исходная волна, но с небольшим сдвигом назад. То есть со сдвигом по фазе, который происходит на каждом новом слое. Итог: длина волны излучения в новой среде уменьшается по сравнению с прежней. Поэтому при уменьшении длины волны скорость света в среде тоже меняется в меньшую сторону. Если поделить скорость света в вакууме на скорость света в среде, мы получим так называемый показатель преломления: 1,5 для стекла и 1,3 для воды. Когда свет падает под углом, гребни волн замедляются, начиная с той стороны, которая попадает в новую среду первой, из-за чего разворачиваются все гребни целиком. Поскольку луч света движется перпендикулярно гребням волн, получается, что свет меняет направление. Резюмируем: падающий свет заставляет колебаться заряды в среде, они создают собственные электромагнитные волны, которые сдвигают свет по фазе. От этого уменьшается длина волны, снижается скорость света и меняется его направление. Отношение углов падения и преломления к показателям преломления двух сред описывает закон Снеллиуса. Его вывели независимо друг от друга несколько человек, и Снеллиус был даже не первым. Это мы и наблюдаем в эксперименте. Чем выше свет попадает на сферу, тем больше угол падения и тем сильнее меняется направление луча за счёт преломления. Большая часть света проходит насквозь наружу, но какая-то отражается, и получается вот этот луч, направленный к источнику света. Давайте проследим за тем, как меняется его угол, когда я поднимаю лазер. Если светить в центр, отражённый луч попадает ровно в источник. Пусть это будет 0 градусов. Когда мы поднимаем источник света, угол увеличивается. Вот он стал 5 градусов, потом 10 и так далее. Чем выше лазер, тем больше угол, пока не дойдём до критической точки. Следите за пятном на столе: как источник луча поднимается, светлая точка ползёт по столу к сфере. Отражённый луч подтягивается ближе и ближе, но в какой-то момент вот он останавливается. Посмотрите-ка, я продолжаю поднимать лазер, но ближе луч не подходит. Теперь ползёт обратно. Мы увидели, как достигает своего максимального угла отражения и двигается обратно тем же путём. И вот что очень важно: в этой части сферы, несмотря на изменение прицельного параметра, угол, под которым выходит отражённый луч, почти не меняется. По сути, происходит фокусировка света. Это явление называется **каустика**. Создают любые изогнутые поверхности, будь то изгибы кофейной чашки, очков или рябь на воде. Светлые узоры возникают из-за концентрации солнечных лучей. Когда красный свет проходит сквозь водяную сферу, наибольший угол рассеивания, а именно при нём возникает каустика, составляет 42 градуса относительно горизонтали. У меня сфера стеклянная, а не водяная, поэтому угол чуть другой, но принцип тот же. Возник вопрос: почему, дойдя до максимального угла, светлое пятно отползает обратно? Всё дело в геометрии. Если поднимать лазер по сфере, хотя луч и преломляется вниз, на заднюю стенку он попадает тоже всё выше, но только до определённого момента — до точки примерно на 78% радиуса сферы. Здесь угол падения становится настолько крутым, что преломлённый луч начинает спускаться по задней стенке, поэтому отражённый луч ползёт в обратную сторону. Так у нас и получается максимальный угол рассеивания, при котором и формируется каустика. А максимальный угол рассеивания зависит от цвета луча. Чтобы понять почему, вернёмся к разговору про заряженные частицы на пружинках. У них есть собственная или резонансная частота, с которой они колеблются. Если им не задавать частоту извне, в большинстве материалов она гораздо выше, чем у видимого света. Если на заряд попадает свет, амплитуда итоговых колебаний частицы зависит от разницы между частотой волны света и собственной частотой частицы. Чем меньше отличаются друг от друга частоты, тем больше итоговая амплитуда. Что логично: вспомните, как раскачивались качели, которые вы толкаете. К их собственной частоте тем выше они взлетают. Так что чем больше частота света, например, синего, тем больше амплитуда, с которой будут колебаться частицы, а они, в свою очередь, порождают электромагнитные излучения с большей амплитудой, которая обеспечивает больший сдвиг по фазе. От чего сильнее сокращается длина волны. В итоге свет с высокой частотой теряет скорость и преломляется сильнее, чем свет с низкой. Так, теперь поменяю лазер. Когда я повторял опыт с зелёным светом, он преломлялся сильнее красного, и зелёный ток начал смещаться обратно раньше, чем красный. Ого, вот максимальный угол для зелёного очень отличается от красного. Иначе говоря, максимальный угол рассеивания оказался меньше, чем для красного света. Если бы вместо сферы был водяной шар, этот угол составил бы 41° вниз от горизонтали. По тому же принципу для синего этот угол равен 40°. У меня есть особенный лазер — ярко-синий, он уже довольно опасный, так что надо действовать очень осторожно. Как же мы будем соблюдать осторожность? Хороший вопрос, наверное, просто скотч приклею. Вот синий доходит только сюда, зелёный — сюда, а красный — сюда. Слишком сильный перепад. Если честно, кажется, эксперимент у меня не очень точный. Луч как будто немного под углом. Чтобы понять, при чём тут каустика, представьте, что мы освещаем всю сферу равномерно красным светом. Чем дальше от центра сферы, тем больше туда попадает лучей, потому что там больше площадь поверхности. Подправим разметку так, чтобы площадь всех секций была одинаковой. На графике, где мы отмечаем угол рассеивания, каким углом отразится свет, падающий на каждую секцию, большая часть на максимальном угле рассеивания. Для ясности добавим других цветов и проделаем то же самое с оранжевым, жёлтым и всеми остальными цветами. Так и появляется радуга. Разложение света на спектр — это не полное объяснение радуги, пель цветных арок не даёт. Разделённые лучи, отразившись, вновь сливаются в белый свет. Радуга же получается из-за того, что на максимальном угле рассеивания лучи образуют каустику. Мы знаем, что происходит с одним направленным лучом света. А что будет, если осветить равномерно всю сферу белым светом? Я закрыл окно непроницаемым материалом и вырезал отверстие, чтобы дневной свет падал на шар, как будто на каплю. Как видите, свет, отражённый от задней стенки сферы, образует белый круг, а по его краю появляется радужная окантовка. Ну, красота! Круглая капля воды создаёт конус света, белое основание с маленькой радугой по краю. Вот такая радуга от одной капли. Солнечные лучи попадают на сферу, отражаются от передней и, главное, задней стенки. У отражённого света есть максимальный угол рассеивания, у разных цветов этот угол отличается. У красного он больше остальных, и поэтому красный снаружи. Так здорово! Отлично! Мне было интересно, получится ли увидеть конус каустики разного цвета, из-за которых и получилась радужная кромка. Вы просто обязаны на это посмотреть! Просто обязаны! Вот так. Тут прямо видно разноцветный свет. Я его вижу, это просто нечто! Смотрите! А вот точка фокуса позади сферы. Ставить палец можно, очень обжечься сильно. Вот это фокус! Итак, очень похоже на радугу, но не забывайте, так получается, если свет отражается от одной единственной капли. А когда мы видим радугу в атмосфере, капель миллиарды, и каждый образует такой же радужный конус в сторону солнца. Откуда же берётся радуга, которую мы видим в небе? Этот цвет каустики, образованной, например, красными лучами, должен от капли дождя попасть нам прямо в глаза. Это происходит только когда угол между солнцем, каплей и вашим глазом составляет 42°. Как раз этим объясняется, почему радуги принимают форму арки именно с таким углом. Фиолетовый свет от тех же самых капель проходит выше или сбоку от глаз, и мы его не видим. Но ниже этих капель есть другие, и фиолетовая каустика, образованная отражёнными в них лучами, как раз оказывается направлено нам в глаза. Для них максимальный угол рассеивания меньше 40 градусов. И само собой, есть и капли, от которых нам в глаза попадают цвета со всеми остальными углами рассеивания. Получается, что радуга — самая настоящая оптическая иллюзия. Её создают миллиарды капель, которые образуют радужные конусы. Мы видим единую статичную радужную дугу, но капли, благодаря которым она возникает, постоянно сменяют друг друга. Одна капля, падая вниз, может сначала направить на нас красный, затем оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Поскольку отражённый свет должен образовывать угол от 40 до 42 градусов с вашим глазом, центр арки оказывается на линии, проходящей от солнца через затылок. Поэтому в центре радуги всегда ваша тень. А значит, два человека никак не могут увидеть одну и ту же радугу. Даже для левого и правого глаза радуга всегда своя. С каждой точки обзора видна одна уникальная оптическая иллюзия. Этим же объясняется, почему в большинстве мест мира радугу видно только рано утром или на исходе дня, но не в самый разгар. Чем выше солнце, тем ниже точка радуги. И когда солнце поднимается выше 42° над горизонтом, с уровня земли на радугу не посмотреть. И даже когда её можно увидеть, она исчезает, если надеть солнечные очки. Но только поляризованные. Свет от солнца не поляризован, то есть его электрические поля колеблются в равной степени во все стороны. Но так получается, что свет в радужном луче отражается от задней стенки капли почти что под углом Брюстера. Это особый угол, при котором насквозь в нашем случае капли проходит любой свет, а вот отражается только тот, у которого электрическое поле направлено перпендикулярно плоскости отражения. Как раз он-то радугу в итоге. Свет радуги поляризован вдоль направления радуги горизонтально в верхней части и почти вертикально по бокам. Поэтому, если взять поляризующие, которые оказываются под радугой, в вашу сторону отражается свет всех цветов. От этого в моём эксперименте со стеклянным шаром и возникал белый круг. Капли над радугой, наоборот, ничего не отражают в сторону наблюдателя. Наши глаза оказываются за пределами максимального угла рассеивания всех цветов. Но если посмотреть ещё выше, иногда можно заметить вторую бледную радугу с цветами наоборот. Откуда же она берётся? Из ещё одного отражения внутри дождевых капель. Этот свет отразился не один раз, а два. От этих отражений тоже образуются каустики, хотя и менее яркие, потому что с каждым разом света всё меньше. Если луч попадает в центр капли, отражённый свет выходит через заднюю стенку по прямой под углом 180°. Но чем дальше луч от центра, тем меньше отражение этого света. Минимальный угол, под которым он выходит из капли, составляет около 50 градусов для красного света. Затем он разворачивается, идёт в другую сторону. Между 42 и 50 градусами темно, потому что под этими углами не выходит никакой свет ни при одном, ни при двух отражениях. Такую область между радугами называют **полосой Александра**. Существуют снимки тройных и четверных радуг. Они возникают, если свет внутри капель отражается ещё раз, но в этом случае он выходит с другой стороны. То есть такие радуги видно только если смотреть по направлению к солнцу, но они очень бледные. Так что нужны идеальные условия. В лабораториях удавалось получить вплоть до 200 таких радуг, но на этих кадрах мы видим совсем не их. Это так называемые **дуги высших порядков**. Такое происходит, когда в атмосфере присутствует много очень мелких капель диаметром в десять долей миллиметра. Лучи света, которые проходят чуть выше и ниже основного, выходят в атмосферу примерно под одним углом 40°, но проходят разные расстояния, и разница кратна половине длины волны. Из-за чего лучи могут накладываться как конструктивно, так и деструктивно, создавая тёмные и светлые полосы под основной радугой. При этом цвета заходят за границы друг друга сильнее, чем в обычной радуге, из-за чего образуются нетипичные цвета, например, маджента — смесь синего и красного. Дуги высших порядков подсказывают, как образуются маленькие радуги вроде этой. Когда я видел подобные изображения или сам наблюдал их из самолёта, я всегда задавался вопросом: откуда берутся такие маленькие радуги? Называю их **броуновский призрак**. Ширина обычной радуги 42°, а ширина Глории всего от 0,1 до 0,2°. Как и дуги высших порядков, Глории появляются благодаря интерференции, и для их образования тоже нужны очень маленькие капли воды диаметром в десять миллиметров. Такие капли бывают в туманах или облаках. Если луч света попадает на самый край капли, он обходит. В опыте с лазером такое получалось, когда таких лучей много, капля становится маленьким кольцевым источником света. Расстояние от разных точек на этом кольце до какой-то точки в пространстве может отличаться на дистанцию, кратную половине длины световой волны. Поясню: до точки прямо перед каплей расстояние одинаковое, весь свет накладывается конструктивно, и мы видим яркое пятно. Но до точки чуть сбоку в среднем половина лучей проходит на пол длины волны больше, что даёт тёмное пятно. Смести се ещё и разница в пути составит уже целую длину волны деструктивного наложения. Нет! И снова появится яркое пятно. Возьмём целую плоскость перед каплей, и таким образом получим рисунок вроде слегка размытой мишени. У света разных цветов разная длина волны, поэтому такие мишени совпадают не полностью. И если их совместить, то мы увидим разноцветные кольца. Это опять же рисунок для одной-единственной капли, но, как и с обычной радугой, если в воздухе миллионы и миллиарды капель, все вместе они образуют такую же картину с вашей тенью по центру. Именно это явление легло в основу открытия, отмеченного Нобелевской премией. В сентябре 1894 года Чарльз Томсон Рис Вильсон посетил обсерваторию в Шотландии. Там он увидел цветные кольца вокруг тени, отбрасываемой на туман или облака. Он вспоминал, что глории пробудили в нём огромный интерес и породили желание воспроизвести их в лаборатории. Таксон изобрёл конденсационную камеру с единственной на глории. Когда он понял, что в камере видно треки быстрых заряженных частиц, первоначальную цель он оставил к ней. Усон начал с таинственных разноцветных колец в тумане. — Ого, так красиво! Как же ты её заметил? — Что ж, сынок, надеюсь, теперь ты понял, почему радуга — дуга, почему свет в ней поляризованный и откуда вообще она берётся. А ещё я надеюсь, что теперь ты знаешь, почему мне так нравится выяснять что-то новое о мире и почему добывать новые знания так ценно. Тысячи лет радуга оставалась красочной загадкой, которую подбросила нам природа. Получилось ли её разгадать? С радостью заявляю: да! Я вижу одну радугу, а ты — другую. — Так и есть! *Озвучено студией Верт Дайдер.*

Назад

Залогинтесь, что бы оставить свой комментарий